冲击回波法测混凝土研究综述

冲击回波法测混凝土研究综述
摘要：该文探讨了冲击回波法检测技术在评价混凝土质量方面的研究现状和主要应用。

文章介绍了
该技术的基本原理，并分析了其在评价混凝土强度、检测构件尺寸、缺陷以及评价混凝土耐久性等方面的原
理及应用。

此外，该文总结了该方法评价混凝土质量的优缺点，并提出了进一步研究的方向，以便在未来广
泛应用该技术。

关键词：冲击回波法；混凝土评价
0 前言
冲击回波法是无损检测中常用的一种技术，广泛应用于各种工程领域，如建筑、桥梁、水利、公路等。

该技术利用瞬间机械冲击在建筑构件表面产生应力波，通过应力波的反射来确定构件的厚度和内部缺陷位置。

该方法在技术和经济效益
方面都取得了良好的效果。

1 冲击回波法研究背景
1983年，美国联邦标准局开始在混凝土无损检测中应用基于应力波的冲击回
波法来检测混凝土内部缺陷。

该方法基于应力波在固体中传播的特性，经过NBS
的研发和命名。

随后，同济大学声学所的顾轶东等人在1999年对该方法进行了
实验研究，并利用有限元软件包动态模拟波动过程，证明了该方法测量混凝土厚
度及缺陷的可行性。

此外，该方法可以精确测量混凝土内部缺陷的位置和垂直表
面裂缝的深度，并利用双接收换能器和时域分析达到高精度。

缺陷的存在会破坏
振动模式，而主频转移到一个较小的值是缺陷存在的关键指标。

冲击面和缺陷表
面处的多次波反射在频谱中产生的峰值可以对应到缺陷的深度。

2 冲击回波法在混凝土检测中的应用
2.1 冲击回波法原理
冲击弹性波能够在物体的上下表面产生反射和透射，而这些反射和透射量取
决于物体与媒质分界面两侧物质的声阻抗率的大小。

声阻抗率的表达式如下所示：（1）
式中：Zs为声阻抗率，kg/（m2·s）；p为媒质内某点声压，Pa；v为媒质
质点振动速度，m/s。

2.2 冲击回波法评价材料的强度
评价混凝土质量时，强度是反映最重要的指标，因为混凝土的强度直接影响
结构的安全性。

在采用冲击回波法评价混凝土质量时，通常将混凝土看作均质材料，通过测量回波时间和强度值来评估混凝土的厚度和缺陷情况。

然而，在评价
混凝土强度时，常常会使用动弹性模量和静弹性模量作为中间量，这是因为混凝
土的力学性能是一个复杂的过程，并不仅仅由其密度和回波时间来决定。

动弹性
模量和静弹性模量是混凝土强度的两个重要指标，可以通过测量冲击回波法下声
波在混凝土中传播的速度来计算得出，因此可以更准确地评估混凝土的强度。

在冲击回波法中，通过测量声波在混凝土中的传播速度和特性来评估混凝土
的质量和强度。

其中，混凝土的动弹性模量（Ed）是一个重要的参数，它可以通
过以下公式计算得出：
Ed = 2ρ（1 - μ）vp
其中，ρ表示混凝土的密度，μ为混凝土的泊松比，vp为P波在混凝土中
的传播速度。

根据冲击回波法的原理，P波能够在一维、二维和三维空间中传播，其传播
速度可以通过以下公式计算得出：
一维空间：vp = √(E/ρ)（2）
二维空间：vp = √(E/ρ(1 - μ))（3）
三维空间：vp = √(E/ρ(1 - μ)(1 - 2μ))（4）
其中，E为混凝土的弹性模量，ρ为混凝土的密度，μ为混凝土的泊松比。

根据不同的空间维度，可以选择不同的公式来计算P波在混凝土中的传播速度。

通过上述文段可以了解到，P波的速度可以帮助计算混凝土的动弹性模量。

同时，动弹性模量和静弹性模量之间存在一定的关系，可以使用Lydon和Balendran计算公式来计算：如式（5）所示。

（5）
根据上述文段可以得知，JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土
桥涵设计规范》和GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中均给出了由混凝土
静弹性模量计算其抗压强度标准值的计算公式。

见式（6）：
（6）
由此则可通过式（4）~式（8）P波速度推算出混凝土的抗压强度。

吕小彬等提出了对于低于C50的普通硅酸盐混凝土，通过P波速度来计算混
凝土强度的公式：
（7）
（8）
（9）
式中：V实际为实际测得的混凝土P波速度；α为小于1的修正系数。

2.3 冲击回波法评价混凝土构件尺寸
如果已知P波在混凝土中的传播速度C
、构件内部P波反射FFT的主频率f，
p
就可以根据式（10）来计算构件尺寸d：
（10）
式（10）适用于混凝土和声阻抗低于混凝土的材料之间的界面。

2.5 冲击回波法评价混凝土耐久性
王荣鲁、孙其臣等人对冲击弹性波技术在检测混凝土试件冻融循环中波速的
变化进行了大量室内试验和数值模拟分析，发现该技术可以与共振法计算的自振
频率变化相关。

经过室内试验、数值模拟和现场应用，此项研究的效果良好，该
技术被证明可用于水工混凝土的抗冻性测试和耐久性评估，并具有广阔的推广应
用前景。

程宏远、孙丹丹等人采用冲击弹性波技术评价水工混凝土的抗冻性，并研究
不同因素对弹性波速的影响。

研究表明，该方法可为水环境工作中混凝土结构的
安全评价提供参考。

哨冠华等人则研究采用弹性波的波速对混凝土耐久性进行定量化试验。

综上，冲击弹性波技术在混凝土质量和强度评估中具有广泛的应用前景和研究价值。

3 结论与展望
以上文段指出了冲击回波法作为一种无损检测方法，在混凝土内部缺陷的检
测和诊断方面具有着广泛的应用前景。

不过，该方法存在多种因素的影响，如混
凝土配合比、水化进程、环境因素等，需要深入研究各因素对波速和抗压强度的
影响。

此外，在检测混凝土内部缺陷时易出现误判，并且无法给出缺陷的位置和
大小等精确信息。

针对波速变化能表征混凝土的耐久性信息的特点，需要进一步
量化研究并与其他测试方法相结合综合评定混凝土的耐久性。

未来在提升冲击回
波法的仪器软硬件功能同时，还需要更加深入地研究环境条件对评价混凝土质量
的影响机理，以便更加精准地服务于实际工程。

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